一种惯性导航用减振器的低温工作特性

2018-10-15郭瑞毅马利宁涂春潮任玉柱苏正涛

导航与控制 2018年5期

郭瑞毅，马利宁，涂春潮，任玉柱，苏正涛

（中国航发北京航空材料研究院，北京100095）

0 引言

随着航空航天领域的不断发展，飞行器上的电子、光学设备数量不断增加，形式更加复杂。由于空气动力噪声以及发动机喷气噪声作用会造成飞行器机体的振动［1］，为了保证这些设备的正常运转，提高设备可靠性，通常需要加装减振器［2⁃4］。橡胶减振器因为可被制成各种形状，且质量小、体积小［5］、阻尼系数高［6］、隔振频率宽［7⁃8］的特性，在当今工业体系中得以广泛应用。然而，通常的橡胶减振器的使用温度受到了自身材料特性的限制。低温条件下，减振器的动态性能变化巨大，无法满足温度条件苛刻情况下的减振需求［9］。因此，需要对减振器的低温性能进行大量考核，保证在工作温度下减振器性能合理可用。然而进行低温振动试验设备要求高，且相对室温试验较复杂，因此开展大量低温试验的工作量较大，试验费用和试验周期也很长。若可以建立减振器工作温度与振动特性的函数关系，则可以减少试验性工作，且预估减振器在其要求的工作温度下的振动特性，也可为减振器的低温环境适应性设计提供依据。压剪混合型减振器由于其三向等刚度、安装方便以及优良的疲劳性能，在惯导系统上广泛使用。本文以JZ⁃2压剪混合型减振器为例，建立了低温条件下减振器振动特性与温度的关系。并通过改变减振器胶料性质以及结构，验证减振器振动特性与温度的关系的普遍性。

1 试验

1.1 试件和试验仪器

试件为 JZ⁃2 型、 JZ⁃3 型、 JZ⁃4 型、 JZ⁃5 型减振器，试验仪器为DC⁃4000⁃40电动振动试验系统和 ETHV⁃1200⁃70⁃30H 恒温恒湿试验箱。

1.2 性能测试

如图1和图2所示，将JZ⁃2型减振器安装在模拟工装上，并将工装固定在测试振动台上。将恒温恒湿箱调节至指定温度，待温度稳定后保温1h。之后使用2g正弦扫频10min完成单程10Hz～2000Hz振动试验，测定被减振系统在该温度下的一阶谐振频率f1－t以及此时的放大倍数D，并记录。

2 结果与分析

为了研究低温对橡胶减振器性能的影响，测量了减振系统Y方向从－70℃～20℃条件下的振动曲线，记录了系统的一阶谐振频率f1－t，以及相应谐振频率下的放大倍数D，如图3所示。

由图3可知，随着温度的降低，减振系统的谐振频率不断增大，且增大的速率不断提升。这是由于随着温度的降低，橡胶材料的链段运动不断受到限制，从而橡胶材料模量上升，减振系统刚度增大。此类型减振器在低温条件下的谐振频率经拟合可以由式（1）表达。其中，t表示温度，f1、a、b为3个与减振器自身结构和胶料种类有关系的常数。

式中，f1－t为温度t时减振器一阶谐振频率，单位为Hz；t为温度，单位为℃。

为了验证这一谐振频率与温度的关系式，在－40℃条件下对产品进行振动试验，测得减振器的一阶谐振频率为82.87Hz。利用式（2），计算得到的减振器在－40℃时的一阶谐振频率为82.27Hz。从验证试验结果看，拟合公式的误差为7.2‰，即说明使用这一拟合方式对减振器低温谐振频率有着很高的估算精度。

由图3同样可以发现，此减振器的放大倍数随着温度的降低先减小后增大。这是由于随着温度的降低，橡胶材料链段与链段之间的运动更加困难，因此在共振发生时有更多的能量被减振器转化为热能消耗。但当温度进一步降低时，部分链段已经被彻底冻结无法运动，因此参与将机械能转化为热能的链接数量减小，从而放大倍数提高。

JZ⁃3型、 JZ⁃4型和 JZ⁃5型减振器均属于压减混合型减振器，但其结构、设计承载、安装方式均有所区别。此外，它们虽然均为硅橡胶减振器，但使用了不同的橡胶牌号，使得材料的邵氏硬度有较大差距。因此，使用这几种减振器可以验证式（1）的普适性。使用这些减振器搭配各自的配重，分别组成的系统，测定其20℃、0℃和－20℃条件下的谐振频率。并根据测试结果带入式（1）中求出各自的f1、a和b，从而确认各自的低温谐振频率与温度关系式。根据对应的关系式求出－45℃时各减振器的谐振频率，并与实验值进行比较，结果如表1所示。从表1可知，预测值与实际值的差距均小于5%，虽然与JZ⁃2型中的拟合结果同试验结果的误差相比数值更大，但在工程应用中已经可以用于进行预测。由此说明，式（1）对于压剪混合型硅橡胶减振器有着普适性。对于硅橡胶压剪混合型减振器，只需3个试验点就足够确认其低温工作特性。此外，结合试验点还可以预测减振器低温性能，减少试验工作量，从而为减振器的选用提供依据。